(57)【要約】【課題】ディーゼル機関の排気量の拡大を、基本的なエンジンの外形寸法を増加させることなく実現する。【解決手段】一端がピストン８にピストンピン７を介して連結されたアッパリンク５と、アッパリンク５の他端が連結されるとともに、クランクピンに回転可能に取り付けられたロアリンクと、ロアリンクの運動を拘束するように設けられたコントロールリンクと、を有する複リンク式ピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を備える。ピストンピン７を保持するピンボス部２４の軸方向の寸法が小型化されており、ピストン８が下死点近傍にあるときに、カウンタウェイト１５の最外径部が、ピンボス部２４の側方を通過可能である。これにより、ピストン８の下死点位置を低くでき、ピストンストロークを拡大できる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復動するピストンを有する筒内直接噴射式ディーゼル機関において、
上記ピストンの冠面にキャビティを設け、該キャビティ内に燃料を噴霧するととともに、複リンク式ピストン−クランク機構により上記ピストンをクランクシャフトに連結し、かつピストンピンを保持するピストンのピンボス部を、ピストンピン軸方向に小型化したことを特徴とする筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項２】
上記クランクシャフトのカウンタウェイトの最外径部が、下死点近傍において、上記ピストンピンの軸方向への延長線と交差することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項３】
上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えており、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長と略等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項４】
上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えており、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項５】
上記複リンク式ピストン−クランク機構は、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項６】
上記コントロールリンクの上記他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段をさらに備え、上記揺動支持位置の変位により機関圧縮比を可変制御することを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項７】
上記ピストンピンの軸長と上記第１連結ピンの軸長とがほぼ等しいことを特徴とする請求項５または６に記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項８】
上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、上記複リンク式ピストン−クランク機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項９】
クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、上記複リンク式ピストン−クランク機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【請求項１０】
直列４気筒機関として構成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の筒内直接噴射式ディーゼル機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内直接噴射式ディーゼル機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関の場合、予混合のガソリンエンジンとは異なり、全負荷運転時の空気利用率が出力性能に大きな影響を与える。従って、ディーゼル機関の燃料噴射装置では、ガソリン機関に比べれば桁違いの高圧の燃料を筒内に供給し、筒内の空気利用率を高める工夫が行なわれてきた。しかしながら、ガソリン機関の場合は理論混合比よりも濃い出力混合比とすることで、出力性能を高めることができるが、ディーゼル機関では、スモーク発生が不可避となるため、理論混合比よりもリーン側で運転せざるを得ない。このため、同一の排気量のガソリン機関に比べ、ディーゼル機関は、熱効率では勝るものの、出力性能は劣らざるを得ない。このような出力性能を向上させるために、今日のディーゼル機関は、ターボチャージャなどの過給機と組み合わせることも多くなされている。特に、乗用車の場合には、同一の車体にガソリン機関を搭載した型式とディーゼル機関を搭載した型式とが併行して設定される場合が多く、このような場合には、車載上の利便性から、基本的に同一のエンジンサイズが要求されるため、過給機と組み合わせて出力性能を補う必要がある。
【０００３】
一方、特許文献１は、本出願人が先に提案したものであり、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関の可変圧縮比機構を開示している。これは、一端がピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、によって、ピストンとクランクピンとが連係されているとともに、上記ロアリンクの運動を拘束するように、ロアリンクに第２連結ピンを介してコントロールリンクの一端が連結された構成となっており、コントロールリンクの他端が、例えばシリンダブロック下部に支持されている。そして、このコントロールリンクの他端の揺動中心をカム機構により変位させることで、ピストン上死点位置ひいては機関の圧縮比を変化させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２２７３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、ディーゼル機関では、過給機を装着して出力性能を確保することが多くなされているが、過給機の装着は、吸排気系の配管が複雑になり、過給機以外にもインタークーラが必要となるなど、結果的には必要なスペースが拡大する。そのため、ガソリン機関と同じスペースに、同様の出力を有するディーゼル機関を搭載することが、困難な場合も多い。
【０００５】
本発明は、上記の可変圧縮比機構として提案された複リンク式ピストン−クランク機構を利用して、ディーゼル機関の排気量の拡大を、基本的なエンジンの外形寸法を増加させることなく実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、シリンダ内を往復動するピストンを有する筒内直接噴射式ディーゼル機関において、上記ピストンの冠面にキャビティを設け、該キャビティ内に燃料を噴霧するととともに、複リンク式ピストン−クランク機構により上記ピストンをクランクシャフトに連結し、かつピストンピンを保持するピストンのピンボス部を、ピストンピン軸方向に小型化したことを特徴としている。このようにピンボス部を小型化することで、ピンボス部およびピストンピンを、クランクシャフトの軸方向においてカウンタウェイトと重なり合わない位置関係とすることができ、ピストンの下死点における該ピストンとカウンタウェイトとの間のピストン上下方向の余裕を、より小さく設定することが可能となる。そのため、上死点から下死点までのピストンストロークひいては排気量をより大きく確保し得る。
【０００７】
そして、望ましくは、本発明では、上記クランクシャフトのカウンタウェイトの最外径部が、下死点近傍において、上記ピストンピンの軸方向への延長線と交差するようになっている。換言すれば、ピストンが下死点近傍にあるときに、ピストンピンを保持したピンボス部の側方を、カウンタウェイトの最外径部が通過する。
【０００８】
また、上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えているが、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長と略等しいか、あるいはこれよりも短いことが望ましい。
【０００９】
また、本発明に好適な複リンク式ピストン−クランク機構としては、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、を備えている。
【００１０】
上記コントロールリンクの上記他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段をさらに備えた構成とすれば、上記揺動支持位置の変位により機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構となる。
【００１１】
このような複リンク式ピストン−クランク機構では、上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、そのリンク構成を設定することが可能である。このようにアッパリンクの姿勢が垂直に近付くことで、ピストンに作用するサイドスラスト荷重が相対的に低減する。そのためピストンスカート部の小型化が可能となる。なおガソリン機関と異なり、燃料噴霧はピストンのキャビティ内に衝突するので、シリンダ壁に燃料が付着することによるオイルの希釈化、ひいてはこれによる潤滑不良の問題は生じにくい。
【００１２】
また、上記複リンク式ピストン−クランク機構では、クランクシャフトの回転に対するピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、そのリンク構成を設定することも容易である。このように単振動に近い特性とすれば、ピストン加速度が平準化されて上死点付近の最大慣性力が低減し、ピストンピンおよびピンボス部の小型化の上で有利となる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、ピストンとアッパリンクとを連結するピンボス部およびピストンピンを、クランクシャフトの軸方向においてカウンタウェイトと重なり合わない位置関係となるように小型化することができ、下死点におけるピストンとカウンタウェイトとの間のピストン上下方向の余裕を、より小さく設定することが可能となる。従って、内燃機関の大型化を伴わずに、ピストンストロークの拡大ひいては排気量の拡大を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は、この発明に係る筒内直接噴射式ディーゼル機関に用いられる可変圧縮比機構の構成を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストン−クランク機構から構成されている。
【００１６】
クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。このカウンタウェイト１５は、クランクピン３を挟んで両側に互いに対向するように設けられており、その外周部は、ジャーナル部２を中心とした円弧形に形成されている。
【００１７】
上記ロアリンク４は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン３が嵌合している。
【００１８】
アッパリンク５は、下端側が第１連結ピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。
【００１９】
ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側が第２連結ピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。
【００２０】
上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。
【００２１】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。
【００２２】
図２は、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の基本的な動作説明図であって、クランクシャフト１が１回転（３６０°ＣＡ）する間の各部の動作を、９０°ＣＡ毎に示している。図の（ｂ）がピストン上死点位置に相当し、この図（ｂ）から明らかなように、コントロールリンク１０の下端の位置が変化すれば、ピストン８が上下に変位して、圧縮比が変化することになる。
【００２３】
また、上記の複リンク式可変圧縮比機構においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、単振動に近いピストンストローク特性が得られる。特に、図１０に示すように、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性に比べて、より単振動に近い特性とすることが可能である。そして、図１１にピストン加速度の特性を示すように、ピストン加速度が平準化され、ピストン上死点付近での最大慣性力が大幅に低減する。
【００２４】
次に、本発明の要部であるピストン８およびアッパリンク５の構造について説明する。
【００２５】
図３〜図６は、本発明のディーゼル機関に用いられるピストン８の構造を示している。このピストン８は、アルミニウム合金を用いて一体に鋳造されたものであって、比較的厚肉な円盤状をなすピストン頭部２１の外周面に、複数本、例えば３本のピストンリング溝２２が形成されているとともに、ピストン８のスラスト−反スラスト方向となる周方向の一部に、上記外周面から円筒面に沿って延びるように、スカート部２３が形成されている。このスカート部２３は、図６に示すように、ピストンピン７と直交する方向から見た投影形状が略矩形状をなし、そのピストンピン軸方向に沿った幅は、ピストンピン７の全長と略等しいか、あるいはピストンピン７の全長よりも短いものとなっている。つまり、スカート部２３は、周方向の非常に小さな範囲に設けられている。
【００２６】
上記ピストン８の冠面には、比較的大きな径を有する浅皿形状のキャビティ２７が同心状に凹設されている。上記キャビティ２７の外周には、平面部分が円環状に残っているが、キャビティ２７の径をピストン８の径とほぼ等しくして、平面部分が全く存在しないようにすることもできる。
【００２７】
また、上記ピストン８の中心部つまり円盤状をなすピストン頭部２１の裏面中心部に、一対のピンボス部２４が形成されており、該ピンボス部２４に、ピストンピン７の端部が回転自在に嵌合するピン孔２５が貫通形成されている。上記ピン孔２５の内周には、軸方向に沿った一対の油溝２６が形成されている。
【００２８】
一方、アッパリンク５は、鋼製のものであり、図７に示すように、ピストン８側の一端にピストンピン７が圧入されている。また、ロアリンク４と連結されるアッパリンク５の他端は、図９に示すように、二股状に分岐し、上記第１連結ピン６の両端部を支持している。
【００２９】
ここで、アッパリンク５における上方のピストンピン７の軸長と、下方の第１連結ピン６の軸長とは、互いに等しい。また、ピストンピン７が受ける荷重と第１連結ピン６が受ける荷重とは基本的に等しいので、ピストンピン７と第１連結ピン６とは、互いに等しい径とすることができる。
【００３０】
また、図７および図９に示すように、一対のピンボス部２４およびピストンピン７からなるピストン連結構造のピストンピン軸方向の寸法は、ピストン８ないしはシリンダ１９の直径に比べて、かなり小さなものとなっている。
【００３１】
そして、ピストン８が下死点近傍にあるときに、クランクシャフト１のカウンタウェイト１５の最外径部が、図示するように、ピストンピン７を軸方向へ延長した延長線と交差するようになっている。換言すれば、ピストン８が下死点近傍にあるときに、ピストンピン７を保持したピンボス部２４の側方を、カウンタウェイト１５の最外径部が通過する。なお、図２の（ｄ）は、単に動作を説明するためのものであるので、ピストンピン７とカウンタウェイト１５とが上下に離れて描かれているが、上記のように構成することで、図２（ｄ）の構成よりも、さらにピストン８をクランクシャフト１中心に近付けた構成とすることができる。
【００３２】
図８は、対比のために、従来の一般的な単リンク式ピストン−クランク機構１０１とピストン１０２とを組み合わせた場合の上死点から下死点までのピストンストロークを示している。これと図９とを比較すれば明らかなように、上記実施例の構成では、上死点から下死点までのピストンストロークが大幅に拡大し、排気量の拡大が可能である。
【００３３】
また、図９から明らかなように、スカート部２３も小型化されていることから、上記のようにカウンタウェイト１５がピンボス部２４の側方を通過する際に、スカート部２３と干渉することはない。このようにスカート部２３を小型化すると、その剛性を大きく確保することは困難であるが、本発明が前提とする複リンク式ピストン−クランク機構においては、ピストン８を傾けようと作用するサイドスラスト荷重は、一般の単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるので、スカート部２３は最小の大きさで済む。具体的には、ピストン８に最大燃焼圧が作用するのは、膨張行程の前半であり、図２の（ｃ）の付近でピストン頭部２１が最大荷重を受けることになるが、このとき、図示するように、アッパリンク５は、垂直に近い姿勢であり、シリンダ１９の軸線に対する傾きが非常に小さい。特に、単リンク式ピストン−クランク機構の場合のコネクティングロッドの姿勢に比べて、シリンダ１９の軸線に対する傾きを、より小さくすることが可能である。従って、サイドスラスト荷重が低減し、スカート部２３の小型化が可能となる。
【００３４】
また、上記のようにスカート部２３が小型化されると、一般に、その潤滑の要求が高くなるが、本発明のように、キャビティ２７内に燃料が噴射されるディーゼル機関であると、シリンダ１９内壁に燃料噴霧が付着することが少なく、燃料によるオイルの希釈化、ひいては潤滑不良を回避できる。従って、燃料液滴がシリンダ内壁に付着しやすいガソリン機関に比べて、燃料付着による潤滑不良は生じにくく、このことによっても、上記のようなスカート部２３の小型化の実現が可能となる。なお、筒内圧の高い過給ディーゼル機関でも、十分にスカート部２３を小型化しうる。
【００３５】
さらに、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の利点として、単振動に近いピストン−ストローク特性とすることで、ピストン加速度が平準化され、ピストン上死点付近での最大慣性力が大幅に低減する。従って、上記のように、ピストンピン７を保持するピンボス部２４の小型化が可能となる。
【００３６】
図１２は、上記のような浅皿形状のキャビティ２７を有するピストン８を用いた燃焼室の構成を示しており、シリンダ１９の上端を覆うシリンダヘッド２８側に、図示せぬ吸気弁および排気弁が配置されているとともに、燃焼室の中心つまりシリンダ１９の中心位置に、燃料噴射弁２９が配置されている。この燃料噴射弁２９は、噴霧の中心軸がシリンダ中心線と一致しており、上記キャビティ２７を指向して、燃料を噴射する。なお、本実施例のディーゼル機関は、公知のコモンレール式燃料噴射装置を備えており、コントロールユニットからの制御信号により燃料噴射弁２９から高圧燃料を噴射する。ここで、図示するように、上記燃料噴射弁２９の噴霧の拡がりを噴霧角度θｉとし、ピストン８の上死点位置における燃料噴射弁２９の噴孔位置を中心とした上記キャビティ２７の最外径に対する角度をキャビティ角度θｐ（これは圧縮比の可変制御に伴って変化する）としたときに、圧縮比が最も低い条件（つまりピストン８の上死点位置が最も低い条件）において、θｉ＜θｐとなるように、種々の寸法関係等が設定されている。
【００３７】
従って、上記構成では、図１３に示すように、高圧縮比状態（ａ）と低圧縮比状態（ｂ）とで、それぞれピストン８の上死点位置が変化しても、燃焼室の基本形状の変化は少なく、また常にθｉ＜θｐの関係にあるから、燃料噴霧はキャビティ２７内に噴射され、温度の低いシリンダ１９内壁壁に直接噴霧が付着することがない。
【００３８】
なお、本発明は、直列４気筒機関に好適である。一般に、直列４気筒機関の場合、ピストン８の慣性２次振動がピストンストローク拡大に伴い急増するため、ストロークの拡大で大排気量化を図ると、騒音振動特性が悪化し、品質を著しく損ねる問題があったが、本発明で用いる複リンク式ピストン−クランク機構では、単振動に近いピストンストローク特性となるため、このような騒音振動特性の悪化を回避できる。
【００３９】
また、上記の可変圧縮比機構を用いることで、低温始動時など、圧縮着火に厳しい条件において、圧縮比を高く制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明に係る可変圧縮比機構の全体を示す構成説明図。
【図２】その基本的な動作を示す動作説明図。
【図３】クランクシャフトと直交する面に沿ったピストンの断面図。
【図４】クランクシャフト軸方向に沿ったピストンの断面図。
【図５】ピストンの一部を切り欠いて示す斜視図。
【図６】ピストンの側面図。
【図７】下死点におけるピストンとカウンタウェイトとの位置関係を示す説明図。
【図８】従来のピストン−クランク機構におけるピストンストロークの説明図。
【図９】実施例におけるピストンストロークの説明図。
【図１０】実施例のピストン−ストローク特性を示す特性図。
【図１１】同じくピストンの加速度特性を示す特性図。
【図１２】噴霧角度θｉとキャビティ角度θｐとの関係を示す説明図。
【図１３】高圧縮比状態（ａ）と低圧縮比状態（ｂ）とを対比して示す説明図。
【符号の説明】
【００４１】
４…ロアリンク
５…アッパリンク
７…ピストンピン
８…ピストン
１０…コントロールリンク
１５…カウンタウェイト
２３…スカート部
２４…ピンボス部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１１】
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